Après des années de tentatives infructueuses, des scientifiques chinois parviennent à créer une batterie géante au bromure de zinc, à haute densité énergétique et sans corrosion : elle pourrait être la clé du stockage d'énergie renouvelable à grande échelle.

L’une des grandes questions de la transition énergétique est simple mais inconfortable. Ce que nous faisons de toute l'électricité solaire et éolienne lorsqu'elle ne correspond pas à la demande. C'est là qu'interviennent les batteries à flux et, en particulier, une nouvelle conception de batterie au brome-zinc développée en Chine qui promet une durée de vie plus longue, plus d'énergie par litre et moins de matériaux coûteux et problématiques.

Une équipe de l'Institut de physique chimique de Dalian, de l'Académie chinoise des sciences, a conçu une chimie du brome qui élimine presque la corrosion tout en augmentant la densité énergétique des batteries à flux de brome-zinc. Le travail a été testé sur un système de 5 kW et est présenté comme une alternative possible pour un stockage stationnaire de plusieurs heures dans des réseaux riches en énergies renouvelables.

Batteries à flux pour un système électrique avec plus d'énergies renouvelables

Les batteries à flux stockent l'énergie dans des liquides conservés dans des réservoirs et circulant dans une cellule électrochimique. En pratique, cela permet de séparer la puissance de l’énergie. Si des heures de stockage supplémentaires sont nécessaires, les réservoirs sont agrandis sans toucher à la partie électrique. C’est pourquoi ils sont considérés comme une option intéressante pour accompagner les parcs solaires et éoliens, surtout lorsqu’il s’agit de quatre à douze heures de stockage continu.

Les batteries à flux de zinc-brome présentent plusieurs avantages évidents. Elles utilisent du zinc et du brome, des éléments abondants, fonctionnent dans des électrolytes aqueux et réduisent les risques d'incendie par rapport à de nombreuses batteries lithium-ion. Cependant, ils ont rencontré un problème qui les a empêchés de passer du laboratoire au véritable réseau électrique.

Le talon d'Achille du brome

Dans les systèmes conventionnels, lorsque la batterie est chargée, le bromure est oxydé et du brome élémentaire est généré en grande quantité. Ce brome libre est très réactif. Il attaque les électrodes, les collecteurs de courant et les membranes, réduisant la durée de vie utile à quelques centaines de cycles et obligeant à utiliser des matériaux coûteux et résistants, tels que des membranes fluorées et des composants en titane. De plus, le brome lui-même est corrosif et volatil et pose donc également des problèmes environnementaux s’il n’est pas bien contrôlé.

Fondamentalement, la technologie reposait sur une bonne base, mais elle payait un tribut chimique très élevé. Beaucoup de maintenance, beaucoup de coûts et trop d'incertitude pour des projets à grande échelle.

Le petit piège chimique qui change la donne

L’équipe dirigée par le professeur Li Xianfeng a opté pour une variante d’une simplicité trompeuse. Ajoutez à l'électrolyte un composé qui agit comme un épurateur de brome et réagit très rapidement avec le brome généré lors de la charge. L'étude utilise du sulfamate de sodium, qui capture le brome et forme une espèce bromée plus douce connue sous le nom de Br SANa.

Ce que cela signifie en pratique pour la batterie. D’une part, la concentration de brome libre dans la solution chute à un niveau ultra-bas d’environ sept millimoles par litre. Autrement dit, le brome cesse de circuler librement dans le système et ne corrode plus tout ce qu’il touche. D’un autre côté, la réaction n’est plus une réaction monoélectronique et devient un transfert de deux électrons entre l’espèce Br moins et l’espèce Br plus. Ce changement double presque la densité énergétique théorique du catholyte de brome. Dans les tests, cela va d'environ quatre-vingt-dix wattheures par litre à environ cent cinquante-deux.

Li lui-même résume l'idée comme une nouvelle approche pour concevoir des batteries à flux de brome de longue durée et jette les bases de l'expansion de l'utilisation des batteries à flux de brome-zinc dans les applications de réseau.

Du tube à essai au système de 5 kW

La nouvelle chimie n'est pas restée dans une cellule de laboratoire. Les chercheurs ont assemblé des batteries complètes à l'aide d'une membrane échangeuse d'ions peu coûteuse et non fluorée à base de SPEEK et ont constaté que la corrosion disparaît pratiquement sur les membranes, les électrodes et les collecteurs de courant.

Lors d'un test de mise à l'échelle avec un système d'environ 5 kW et 6,6 kWh, la batterie a fonctionné à une densité de courant de quarante milliampères par centimètre carré pendant plus de sept cents cycles, soit environ quatorze cents heures de fonctionnement, avec une efficacité énergétique de plus de soixante-dix-huit pour cent.

Si l’on pense à une utilisation quotidienne, ces sept cents cycles se traduisent par près de deux ans de charge et décharge continue. Ce n’est pas un record absolu dans le monde des batteries, mais c’est un pas important pour une technologie qui se dégradait auparavant en quelques dizaines de cycles dans des conditions similaires.

De plus, en réduisant considérablement la corrosion, le système peut se passer de ces pièces métalliques exotiques et s’appuyer sur des matériaux plus courants et moins chers. Les propres estimations de l'équipe suggèrent que le coût total du système pourrait baisser de plus de trente pour cent par rapport aux conceptions précédentes au brome de zinc, ce qui est essentiel face à la concurrence des solutions lithium-ion déjà hautement industrialisées.

Ce que cela peut signifier pour les énergies renouvelables et pour la facture d'électricité

Tout cela arrive à un moment où les réseaux électriques, y compris européens, ont besoin d’un stockage flexible pour accueillir davantage d’énergie éolienne et photovoltaïque sans déclencher l’utilisation de gaz lorsque le soleil se couche ou que le vent s’arrête. Un système de batterie sûr, évolutif et à base d’eau, doté de composants moins chers, permettrait de stocker les surplus solaires à midi et de les restituer la nuit. Dans une large mesure, cela contribuerait à contenir la flambée des prix et les émissions de CO₂.

Le temps passe plus vite que la politique et l’innovation industrielle, mais des avancées comme celle-ci montrent que le secteur des batteries a encore beaucoup de marge pour réduire les coûts et améliorer la durabilité de l’ensemble de la chaîne au-delà du lithium. La prochaine étape consistera désormais à introduire cette chimie dans des projets pilotes plus vastes et à vérifier son comportement en étant connectée à un réseau réel avec des énergies renouvelables variables.

L'étude complète a été publiée dans la revue Énergie naturelle.

L'article Après des années de tentatives infructueuses, des scientifiques chinois ont réussi à créer une batterie géante à flux de bromure de zinc avec une densité énergétique élevée et sans corrosion : cela pourrait être la clé du stockage d'énergie renouvelable à grande échelle, a été publié pour la première fois sur ECOticias.com.